作者:李思辉 来源:中国科学报 发布时间:2024/6/17 17:03:49
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杨春和:大地深处,筑造储能“宝库”

 

“一旦发生战事,地面上的储气罐容易受到空中打击,有了地下储气库,对方就打不着了!院士爷爷,我说得对吗?”不久前的一次院士进校园科普活动中,面对青少年的大胆提问,杨春和欣慰地点点头,“你说得也很对。不过,地下储能的意义还不仅于此。”

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杨春和  中国科学院武汉岩土力学研究所供图

为何藏“能”于地?

能源安全是国家安全的重要组成部分。保证能源安全必须高度重视储能安全。储能的方式有很多,深地储能是非常重要的一种。

20多年来,中国工程院院士、中国科学院武汉岩土力学研究所研究员杨春和始终专注于做一件事——开展地下盐穴储能研究。

“即便是和平环境下,我们也需要把能源‘藏’在地下!”杨春和介绍,我国当前的能源结构和能源储存现状,决定了我们必须向地下要空间,开展地下储能。

他曾在多个场合向大众科普:“深地盐穴储能”是地下储能的重要方式之一,指利用盐矿开采后留下的采空区,或者在地下盐岩中溶出一口巨大的“天然溶洞”,将石油、天然气、氢气、氦气及二氧化碳等能源物质储存其中,具有储存大、成本低、密封好、使用寿命长等优点。

我国是能源消费大国,加快非化石清洁能源的利用,是我国能源结构升级转型和双碳目标实现的重大战略需求。然而,由于风能和太阳能等具有典型的地域性且不能连续稳定供给,因此需要把产生的电能储存起来才能进行充分利用。

怎么储存?科学家想了许多办法,包括抽水蓄能、压气蓄能、氢储能、液流电池储能等。无论采取哪种办法都需要较大的储存空间。具有体积大、可承受高压等优点的深部地下空间就成了储能的理想场所。

利用深部地下空间存储石油能够规避经济性差、安全性低、占地面积大等利用地面储罐储油的缺点,进一步保障石油的安全供给;加快地下储气库建设也能够保证长输管道天然气平稳供给,避免大规模“气荒”的发生。

岂可落后于人?

1999年,获得美国内华达大学地质工程博士学位后,杨春和回国,进入中国科学院武汉岩土力学研究所工作,成为该所第一位海归博士。

当时,在美国的石油战略储备库中,共有盐穴60余口,石油储存能力超过7亿桶。这些石油储存量不仅保证了美国的能源安全,也奠定了美国在国际油价定价中的主导地位。彼时,我国连一座盐穴储备库都没有。

“回国后,我发现我国从事这方面研究的人寥寥无几。”杨春和在很多场合呼吁重视地下储能。当时中国一些有识之士也逐渐意识到油气战略储能的重要性,一些大型能源企业也提出类似需求,只是苦于国内相关工程一片空白,没有技术、没有人才,更没有成熟的经验可循。

国家需求、产业需求就是科学家的研究方向!杨春和决心做“第一个吃螃蟹的人”。

 “利用我国盐矿开采后遗留的采空区,储存天然气。”他第一次公开提出这个设想时,业界一片哗然,反对之声不绝于耳。

有的人认为,中国地质结构极其复杂,无法完成这方面的工程建设——我国盐层属于层状结构,盐层厚度小、不溶夹层多,地质条件的复杂程度超乎想象,欧美等发达经济体的专家们遇到类似地质条件,大多直接放弃建库。

还有的专家从安全角度出发,担心地下储气库发生泄漏、坍塌甚至爆炸等重大安全事故。

面对质疑,杨春和没有过多辩解。他带着设备、行李,带领团队深入多个省份开展现场调查,江苏金坛、湖北潜江、河南平顶山……幅员辽阔的中国版图上,几乎所有能用于储备油气的盐岩地下空间,都留下了杨春和及团队的足迹。

通过对大量盐岩样本逐个反复试验比对、精密计算,经过将近2000组实验后,他和团队成员最终得出一个结论:中国盐穴的稳定性及密封性,对于地下油气储备完全可靠,具有安全性和适用性。

“办法总比困难多,外国人能干的事,中国人一样能干成;外国人认为不好办的事,中国人付出更多心血和智慧未必不能干成!盐穴储气库关键技术要掌握在我们自己手中,要建设我们国家自己的储气库。”杨春和带领团队历经7年时间,用科学数据证明了中国盐穴对于地下油气储备而言完全可靠。

2003年,我国西气东输工程需要建设配套储气库,杨春和团队的理论创新终于有了应用机会。他提出第一座盐穴储气库选址在江苏金坛,利用金坛盐矿开采后留下的溶腔建库,可节约建设成本1.25亿元,节约建库时间5年。这极具可操作性的专业意见获得有关部门和单位的支持。

2007年,江苏金坛储气库正式投产注气,成为我国乃至亚洲首座地下盐穴储气库。截至2024年1月19日,“中国盐穴储气第一库”累计采气量突破50亿立方米,这个采气量可满足长三角地区1600万户家庭调峰期的燃气需求。这背后,凝聚着杨春和的大量心血。

2015年,金坛储气库发现微渗层,出现气体漏失问题。杨春和临危受命,开始技术攻关。

经过反复分析和研判,他和团队提出一种全新技术——利用盐岩重结晶对储气库进行封堵,并迅速开展金坛储气库关键微渗层的重结晶课题研究。最终,微渗层封堵难题被成功解决。

“不仅要让盐穴储气库在中国实现落地生根,还要四面开花结果。”令杨春和颇为自豪的是,20多年来,他带领团队陆续参与了近10座盐穴储气库建设的技术攻关,为我国西气东输一线、二线以及川气东送工程提供了重要保障。目前,我国90%以上的地下储气库都由该团队提供技术支撑。

经过几十年的发展,目前,我国的地下储能在世界上处于什么水平?

杨春和坦言,中国和欧美发达国家都在做研究,美国、德国起步比我们早几十年,一度远远领先于我们。经过近几十年的追赶,现在我们在技术上基本处在同一水平线上了。乍一看,大家在“并跑”。但事实上,我国的地质环境比他们要复杂得多,需要解决的问题难度也要大得多。

他直言,西方地质工程领域的科学家不曾遇到中国这样复杂的地质条件,因此他们的技术路线无法解决中国的问题。相反,中国科学家不仅能够应对国内复杂的地质环境,而且可以相当轻松地解决西方国家地下建库的技术问题。因此,西方国家的技术水平和中国不在同一个层级上。

未来如何布局?

“我国地下储气库从‘0’到‘1’已经完成了,现在我们要对地层进行分类,搞清楚哪些地方适合做哪种能源储备。”除了储油、储气,近几年,杨春和还把目光瞄准了储氢、储氦。

氢能具有来源广、热值高、无污染、应用场景丰富等优点,有效利用氢能是解决能源可持续发展的有效途径。杨春和认为,大规模储氢是氢能产业发展的关键环节。

他多次建议湖北省依托湖北潜江、云应地区丰富的盐矿资源,建设规模化氢能储备项目,打造我国中部储能基地。在他的奔走呼吁下,曾以矿产资源开采而闻名的湖北大冶市在全国首开地下储氢实践。

2023年3月份,大冶市“矿区绿电绿氢制储加用一体化氢能矿场综合建设项目”正式开工——这是我国首个开展岩穴储氢技术的科研攻关项目,建成后,将成为全世界第二个洞穴储氢项目。

“地下空间是个宝库,按照我们的技术路线建设,未来合适的地层可以储油、储氢、储氦,可以实现多场景、多元素综合应用。”杨春和表示。

杨春和希望,随着该项目的开展和技术瓶颈的突破,为氢能规模化、安全储存提供技术保障;为全国深地岩洞储氢研发人员提供联合试验基地;为在全国范围内推广大规模储氢提供技术和标准。

他透露,一切顺利的话,今年夏天,该项目就可以大量产出氢,并进行高压储氢,届时可一定程度补充我国的能源供应。

 
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